钢管混凝土板柱刚接节点性能探讨

冯艳红

(河北天昕建设集团有限公司,河北 沧州 061000)

板柱结构体系是一种在楼盖中不加设肋梁,楼板直接支撑在柱子上的一种结构形式。此种类型的建筑因其空间大,空间易分割,节约层高等诸多优点,被应用于诸多的建筑当中。目前板柱节点形式多为刚接节点形式,以下按常用的刚接节点构造形式,分析刚接节点的优点及缺点,提出进一步的改进方法,建议对节点部位混凝土板的具体受力情况进行进一步分析。

1 板柱节点在水平荷载作用下的受力分析

板柱结构体系在只承受竖向荷载而不承受水平荷载的情况下,该节点只需要满足抗冲切要求。但在实际的结构中,大多数板柱结构体系在承受竖向荷载的同时还要承受风荷载和地震荷载等水平荷载作用,使板柱节点除了要传递竖向力在节点产生的剪力外,还要传递由于节点发生侧移时产生的不平衡弯矩等作用,而不平衡弯矩在节点又产生附加剪力。由于附加剪力的存在使得节点部位的混凝土板受到的高剪应力进而使得柱附近板发生脆性破坏,这是节点发生破坏的主要原因。节点受力情况如图1、图2所示。

实际工程中为了防止这样情况的发生,往往采用在节点部位加设抗冲切元件或是加设暗梁的方式。在竖向力和不平衡弯矩的共同作用下,没有配置抗冲切元件的板柱节点的延性较差,主要表现为脆性破坏,配置了抗冲切元件之后,节点的延性和强度都可以得到不同程度的提高。

2 钢管混凝土板柱刚接节点形式分析

目前钢管混凝土板柱节点的构造多是刚节点形式,将节点抗冲切和抗弯两个方面分别进行考虑,用不同的构造来执行不同的功能。节点抗冲切主要的构造方式有承重销(穿心牛腿)法、环形腿法和抗剪环法。

承重销法是由穿心腹板和上下翼缘板组成的。参考国内外试验的结果[1],以及为了保持钢管截面的几何稳定性,牛腿腹板应该在穿过钢管心以后焊牢在对面的钢壁上,不宜中途切断,做成所谓的半穿心式承重销的形式。在我国早期建造的高层混凝土建筑中,几乎都是采用了这种承重节点[2-3]。模型试验[4]已经证明了该节点的安全可靠性[5]。承重销法构造形式如图3所示。

该节点的设计在构造上要求承重销深入钢管中至少 50 mm,而承重销法要求设计的荷载并不是很大,因此在设计和施工时可以考虑直接将承重销焊在钢管柱的边缘上用来这直接承受剪力。

环形牛腿法可分为环形浅牛腿和台锥式深牛腿两种形式。环形牛腿构造形式主要是由呈放射性的均匀分布的腹板(肋板)和上下加强环组成,腹板不穿入管内,与钢壁表面焊接,借以此来传递剪力。上下加强环分别与腹板的上下端焊成整体,用来承受楼盖剪力引起来的弯矩,并可以兼作钢筋混凝土楼盖的支撑板。加强环节点是《钢管混凝土结构设计与施工工程(CECS28：90)》[6]所推荐的节点形式之一,加强环节点形式也是迄今为止研究最为成熟、应用也最多的一种节点,它传递途径明确,节点刚度大,承载力很高,在适当的截面设计下能够实现“强柱、弱梁”的规范要求。其力学性能优越[7-9]。环形牛腿法构造形式如图4所示。

环形牛腿的构造形式中,腹板不穿入管内,与钢壁外表直接焊接,用于直接传递剪力值。上下加强环分别于腹板的上下焊成整体承受因楼盖剪力所引起的弯矩并且可以兼作 RC楼板的支撑板。只是在应用此种结构形式时,必须要沿着环形牛腿设置与楼盖梁等高度的闭合 RC环梁,或者是与之相当的 RC托盘。

剪环法是指通过连续的双面焊缝牢固的焊于钢壁上的闭合的钢筋环或者是闭合的带钢环。钢筋的直径d或者钢带的厚度b一般在25～30 mm左右。抗剪环与前面所说的环形牛腿一样,事实上就是相当于法兰盘。剪力借助法兰盘与混凝土局部的承压作用作用于钢管。这种节点在钢管内没有任何穿心构件且没有方向性,制作简单,施工方便,这种节点在施工上和经济上的优势是很明显的。抗剪环与环型牛腿的区别在于前者以腹板(肋板)与钢管间的竖向侧面的角焊缝传递剪力,后者则是借助环筋(环带)与钢管间的环形正面角焊缝传递剪力。抗剪环法构造形式如图5所示。

此种节点使用连续的双面焊缝牢固的将闭合钢筋环或者闭合的带钢环焊于钢管壁上。这种节点的实际就相当于一个法兰盘,建立借助法兰盘于混凝土局部承压作用作用在钢管上。剪力环能够与混凝土板较好的共同工作,协调变形,具有良好的受力和变形能力。不过采用此种节点构造时,同环形牛腿,同样需要沿抗剪环设置与楼盖结构等厚的闭合 RC环梁或者与之相当的 RC托盘,这在设计和施工当中增加了难度。

以上介绍的三种节点在具体的施工当中通常要和混凝土梁配合使用,节点的配筋和具体的设计施工都比较复杂。

3 结论

为了抵抗节点部位产生的不平衡弯矩的作用,刚性节点构造形式中都采用加设梁的形式来解决节点部位产生的不平衡弯矩的问题。但是此类节点形式在受到水平荷载作用时节点部位混凝土板的受力情况并不明确,致使进行此类节点设计时难度较大,且建筑物层高以及空间分割上受到一定限制,建议对板柱节点部位以及节点部位混凝土的受力情况进行进一步分析,使得节点部位受力情况明确,或者将板柱节点结构形式与其它结构形式混合使用。

[1]Schneider.Detailing Requirements for Concrete-Filled Steel Tubes Connections[C].Zuich：IBASE;1997(9)：609-614.

[2]杨光,黄烧成.北京四川大厦高层结构设计[C]∥.第十一届全国高层建筑结构学术交流会论文集.1990：295-302.

[3]黄汉炎,叶福康,周展开.钢管混凝土柱在广州好世界广场超高层建筑工程中的应用 [J].建筑结构,1997,(5)：3-7.

[4]黄汉炎.钢管混凝土柱,刚钢筋混凝土板柱节点拟静力三向加载试验研究 [J].建筑结构学报 ,2001,(6)：3-13.

[5]龚昌基.厦门金源大厦钢管混凝土柱节点试验报告[R].北京：建筑科学,2001.

[6]CECS28：90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

[7]李志钧.钢管混凝土框架加强环节点的研究与设计 [J].工业建筑,1987,(8)：12-17.

[8]李志钧,阎善章.钢管混凝土框架梁柱节点加强环板的试验研究[C]∥.中国钢协钢—混凝土组合结构协会第三次年会论文集.1991.

[9]李志钧,阎善章.钢管混凝土框架梁柱节点的试验研究 [J].工业建筑,1994,(4)：2-6.